Negli ultimi vent'anni, le batterie basate sulla chimica degli ioni di litio (Li-ion) sono diventate la scelta principale per numerose applicazioni ricaricabili che vanno dagli smartphone ai veicoli elettrici. Ma non tutte le batterie agli ioni di litio sono uguali. E se cerchiamo una soluzione ecocompatibile ed ecologica, la batteria LiFePO (LFP) è sicuramente la soluzione vincente.
Perché gli ioni di litio e non altri elementi chimici per batterie ricaricabili come il nichel-metallo idruro (NiMH) o il venerabile piombo? Con un numero atomico pari a 3, il litio è il metallo più leggero. Offre il massimo potenziale elettrochimico e fornisce la massima energia specifica per peso, ed entrambi questi elementi rappresentano enormi vantaggi per una batteria. Sfortunatamente, il litio metallico è anche instabile, infiammabile e potenzialmente esplosivo se esposto all'aria o all'acqua. Di conseguenza, i ricercatori si sono concentrati per anni su batterie basate su composti di litio più stabili.
I componenti principali di una cella per batterie ricaricabili agli ioni di litio sono un elettrodo positivo (catodo), un elettrodo negativo (anodo) e un elettrolita. Il catodo è costituito da un composto di litio intercalato, cioè un composto con struttura a strati che consente l'inclusione o l'inserimento reversibile di uno ione di litio durante la carica o la scarica. Esistono diversi composti catodici comuni con caratteristiche diverse, mentre l'anodo è normalmente fatto di grafite.
L'elettrolita liquido è costituito da sali di litio in un solvente organico come carbonato di etilene o dimetilcarbonato. Nel corso del funzionamento, gli ioni di litio si spostano dall'anodo al catodo durante la scarica e nella direzione opposta durante la carica. Una batteria ai polimeri di litio (LiPo) utilizza un gel polimerico come elettrolita.
Gli ioni di litio hanno una tensione nominale della cella di 3,6 V, superiore a quella del NiMH (1,5 V) e del piombo (2,0 V). Di conseguenza, è necessario impilare in serie un minor numero di celle per produrre tensioni elevate per applicazioni come i motori per la trazione di veicoli elettrici.
LFP: la scelta migliore per il pianeta
Come suggerisce l'acronimo, la batteria LFP utilizza una chimica derivata dagli ioni di litio e condivide molti vantaggi e svantaggi con altri tipi di batterie agli ioni di litio. Tutte le batterie agli ioni di litio consumano energia durante la produzione e richiedono l'estrazione di litio e di altri componenti chiave. Tuttavia, quando si tratta della salute del pianeta, ci sono differenze significative tra loro.
I catodi comunemente usati come l'ossido di litio-nichel-manganese-cobalto ("NMC") o l'ossido di litio-cobalto (LiCoO2) richiedono materiali, quali nichel e cobalto, che hanno limiti di fornitura e sono costosi. Per l'estrazione del cobalto, esistono preoccupazioni sul rispetto dei diritti umani in merito alla sicurezza nelle miniere e allo sfruttamento del lavoro minorile. I problemi ambientali associati all'estrazione del nichel includono le emissioni di gas serra, la distruzione degli habitat naturali e la contaminazione di aria, acqua e suolo.
La batteria LFP utilizza il litio-ferro-fosfato (LiFePO4) come catodo, accoppiati a un anodo in grafite con un supporto metallico. Il catodo LFP utilizza materiali a basso costo non tossici (ferro e fosfato) che sono sostanze abbondanti e a basso costo.
Applicazioni ecologiche per batterie LiFePO4
Le applicazioni per le batterie agli ioni di litio includono alimentazione di backup e UPS, dispositivi di consumo come smartphone e laptop, veicoli elettrici e accumulo di energia.
In alcune applicazioni, ad esempio per i veicoli elettrici, le batterie NMC sono preferite a causa della loro maggiore densità energetica, che si traduce in una maggiore autonomia per una determinata dimensione, un requisito fondamentale nello spazio ristretto di un veicolo elettrico.
Nell'accumulo di energia, la necessità in più rapida crescita è quella di bilanciare la domanda e l'offerta in applicazioni di energia rinnovabile come l'eolico o il solare che generano elettricità con emissioni di carbonio minime.
L'adozione di energia solare ed eolica sta crescendo rapidamente. Secondo l'istituto di ricerca sulle energie rinnovabili BNEF, il prezzo dei moduli fotovoltaici solari è diminuito dell'89% dal 2010 al 2019 e dovrebbe diminuire di un altro 34% entro il 2030. La conseguenza è stata un notevole aumento degli impianti solari sia residenziali che su scala industriale. Analogamente, i prezzi per gli impianti a energia eolica sono diminuiti del 70% nell'ultimo decennio. Ma il vento non soffia sempre e il sole non splende tutti i giorni, quindi gli impianti fotovoltaici ed eolici si affidano a sistemi di accumulo di energia per fornire una fonte costante di energia elettrica.
La densità energetica non è una preoccupazione opprimente per i progettisti di sistemi di accumulo di energia. Al contrario, si concentrano su altri fattori, come il degrado a lungo termine delle batterie, che dipende da molteplici elementi tra cui temperatura, stato di carica e profilo di carico. Altri fattori importanti includono la necessità di manutenzione periodica, poiché molti impianti solari ed eolici si trovano in località remote e rimangono incustoditi per periodi prolungati.
Le batterie LFP presentano numerosi vantaggi rispetto alle batterie al piombo o ad altre tecnologie di batterie al litio per l'accumulo di energia. Rispetto alle batterie al piombo, sono intrinsecamente stabili e non combustibili, nonché prive di degassamento, fumi e perdite. La loro durata è fino a dieci volte superiore rispetto a quella delle batterie al piombo, garantendo un costo totale di proprietà (TCO) inferiore.
Il rischio di incendio è un'altra preoccupazione fondamentale, soprattutto negli impianti fotovoltaici residenziali. Incidenti ben pubblicizzati come gli incendi del Boeing Dreamliner e le immagini di veicoli elettrici fusi hanno destato l'interesse dell'opinione pubblica per gli incendi delle batterie agli ioni di litio causati dal runaway termico. Rispetto ad altre tecnologie per batterie agli ioni di litio come l'NMC, la tolleranza al runaway termico dell'LFP è superiore di oltre 100 °F, e ciò determina importanti differenze di sicurezza tra i due prodotti. È molto più probabile che prenda fuoco una batteria NMC rispetto a una LFP. Analogamente, in condizioni di funzionamento normali, la batteria LFP manterrà una temperatura interna più stabile quando esegue cicli di carica costanti. Di conseguenza, la chimica LFP è ideale per l'accumulo di energia solare in applicazioni residenziali.
Facilità di riciclo
Lo smaltimento o il riciclo delle batterie rimane una questione ambientale fondamentale. Ogni anno vengono scartate più di 3 milioni di tonnellate di batterie al piombo. Mentre alcune vengono riciclate in modo sicuro per recuperare piombo e altri materiali, molte finiscono nelle discariche, soprattutto nei paesi in via di sviluppo, e le tossine al loro interno possono causare incendi ed esplosioni e avvelenare cibo e acqua per generazioni.
La lunga durata delle batterie al litio utilizzate per l'accumulo di energia e il trasporto implica che molte di queste batterie sono ancora in uso, quindi i processi di riciclo sono ancora agli albori. Solo il 50% delle 180.000 tonnellate di batterie agli ioni di litio disponibili per il riciclo nel 2019 è stato effettivamente riciclato, mentre il resto è finito in discarica. Man mano che un numero maggiore di batterie agli ioni di litio raggiungerà la fine del proprio ciclo di vita, il loro riciclo diventerà più efficiente.
Indipendentemente dal tipo, le batterie agli ioni di litio possono essere riciclate per recuperare i materiali utilizzati negli elettrodi, nel cablaggio e negli involucri. Le batterie riciclate diventeranno più accessibili man mano che il settore matura. Con elettrodi realizzati in materiali non tossici, le batterie LiFePO4 rappresentano un rischio molto inferiore per l'ambiente rispetto alle batterie al piombo o ad altre tecnologie agli ioni di litio.
Conclusione: la tecnologia LFP è la scelta ecologica per le batterie
La produzione di batterie di qualsiasi tipo richiede energia e risorse, ma le batterie al litio-ferro-fosfato presentano numerosi vantaggi rispetto ad altre tecnologie in termini di consumo di risorse e sicurezza. Hanno un grande potenziale per contribuire a ridurre le emissioni di carbonio quando vengono utilizzate nei sistemi eolici e a energia solare.